CN1207639C - 光折变晶体多重全息存储器的热固定方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种光折变晶体多重全息存储器的热固定方法和系统，属于光存储技术领域，本发明的方法包括以下步骤(1)分批及计算批次数，(2)计算各个批次中每个全息图的曝光时间，(3)记录同一批全息光栅，(4)将记录了同一批全息光栅后的晶体定影，(5)一次性显影出各个分批记录及定影的晶体；本发明的系统包括激光器(1)，偏振分束棱镜(2)，由电子快门(3)、针孔滤波扩束准直系统(5)及复用读写系统(8)组成的参考光路，由电子快门(3)、反射镜(4)、针孔滤波扩束准直系统(5)、组页器(6)、透镜(7)、透镜(9)和探测器(10)组成的物光光路，支持晶体11的复位装置(12)，分批定影热固定方法既提高了读出的衍射效率，又有效地改善图像的质量。

Description

光折变晶体多重全息存储器的热固定方法和系统

技术领域

光折变晶体多重全息存储器的热固定方法和系统属于光存储技术领域。

背景技术

现行多重体全息光栅存储(即大容量体全息存储)的主要材料是光折变晶体。在记录全息光栅的过程中，无论是采用角度复用还是空间复用存储方式，存储过程中物光对晶体中记录区域的持久作用均会带来明显的物光噪声，严重影响存储质量。光折变晶体具有光擦除和暗衰减特性，记录了信息的晶体内的光栅强度会随着后续全息光栅的记录和读出以及保存时间的延长而减小，造成此后读取这些光栅时产生错误的信息，甚至不能读出。为了解决这一问题，实现存储信息的长久保存的方法是对记录在晶体中的全息图进行热固定，现有的光折变晶体的单个全息光栅的热固定技术主要包括以下两个步骤：

1.定影过程：定影是依据高温下晶体中离子的电导率大于电子的电导率，记录了全息光栅的光折变晶体加热到120℃，由于在晶体中形成与记录的全息光栅互补的离子光栅，并持温一定的时间，补偿完全。

2.显影过程：显影是待晶体冷却到室温后，用较强的非相干光照射晶体，擦除电子光栅使离子光栅完全显现出来，得到能够较长时间保存的离子光栅，也就是最初记录在晶体中的信息。

在多重体全息存储过程中，如果对大量的全息图中每个全息图单独进行热固定势必大大地延长存储时间，严重地阻碍体全息存储的实用化进程；另一方面，如果对大量的全息图仅作一次热固定，又会在记录过程中引入由于物光持续作用带来的噪声，严重影响全息光栅的存储质量。

发明内容

针对现有技术中存在的以上缺陷，本发明提供一种针对光折变晶体体全息存储的多重全息光栅的热固定方法及其实现系统。

本发明的一种光折变晶体多重全息存储器的热固定方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)分批及计算批次数：根据晶体的性能参数中的动态范围和晶体的写入时间常数，在符合实际存储时间小于晶体动态范围要求的写入时间的条件下，得到单批次内记录的总时间，用这一时间除以单个全息光栅的写入时间，得到单批次存储的光栅数目，用需要存储的全息光栅的总目标数目除以单批次存储的光栅数目，得到整个存储过程批次数；

(2)按常规方法计算各个批次中每个全息图的曝光时间；

(3)记录：将晶体放置在光学系统中记录同一批全息光栅；

(4)定影：将记录了同一批全息光栅后的晶体放入由温控器控制的加热器中，加热到100℃-150℃，持温10-30分钟后，冷却到室温；

(5)重复步骤(3)、(4)的内容，完成各批全息光栅的记录及定影；

(6)显影：用均匀的非相干光一次性照射已完成各个分批记录及定影的晶体，5-30分钟。

本发明的曝光时间的计算方法如下：

(1)通过实验测出衍射效率η，由衍射效率η和存储过程晶体的折射率调制度Δn之间的关系表达式：

η＝sin²[π*Δn*d/λ/(cos α_r*cos α_s)^0.5]

计算出折射率调制度Δn，式中，α_r和α_s为参考光和物光入射晶体时的入射角(在晶体内部)，d为晶体厚度，λ为记录光波的波长。

(2)根据光折变晶体的写入和擦除过程中折射率调制度随时间变化的指数特性：

           写入过程：Δn(t_w)＝Δn_sat(1-exp(-t_w/τ_w))

           擦除过程：Δn(t_e)＝Δn₀ exp(-t_e/τ_e)

计算出写入过程的曝光时间t_w和擦除过程的曝光时间t_e，式中，τ_w和τ_e为写入和擦除时间常数，Δn_sat是饱和折射率调制度，Δn₀是擦除过程的折射率调制度的初始值。

(3)由于后续全息图记录对已经写入的全息图存在光擦除，即同一批内的后续全息图记录对已写入全息图的光擦除，称为批内光擦除并由批内光擦除时间常数τ_E表示；以及后续不同批次的全息图记录对已写入全息图的光擦除，称为批间光擦除并由批间光擦除时间常数τ_F表示。为了达到均匀衍射效率，记录的折射率调制度为

$\mathrm{\Δ}{n}_n^m=\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{sat}}(1-\exp (-\frac{t_n^m}{{\mathrm{\τ}}_w}))\exp (-\frac{\underset{i=n+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^m}{{\mathrm{\τ}}_E}-\frac{\underset{k=m+1}{\overset{M/N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^k}{{\mathrm{\τ}}_F})$

式中，t_n ^m为第m批的第n个全息图的曝光时间，t_i ^m为第m批的第i(i＝1，2，…N)个全息图的曝光时间，t_i ^k为第k批的第i个全息图(k＝1，2，…(M/N))，i＝1，2，…N)的曝光时间，N为每一批全息图的复用数，M是所有全息图的总复用数。

(4)同批全息图记录过程中，要求批内各全息图始终保持等衍射效率。由第m批的第n个全息图与第n+1个全息图等衍射效率得到递推关系式：

$(1-\exp (-\frac{t_n^m}{{\mathrm{\τ}}_w}))\exp (-\frac{t_{n+1}^m}{{\mathrm{\τ}}_E})=1-\exp (-\frac{t_{n+1}^m}{{\mathrm{\τ}}_w})$

在完成每一批所有全息图记录时，要求所有批次全息图达到等衍射效率。由第m批的第N个全息图与第m+1批的第N个全息图等衍射效率得到递推关系式：

$(1-\exp (-\frac{t_N^m}{{\mathrm{\τ}}_w}))\exp (-\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{m+1}}{{\mathrm{\τ}}_F})=1-\exp (-\frac{t_N^{m+1}}{{\mathrm{\τ}}_w})$

由上述两个递推公式计算出每个批次每个全息图的曝光时间。

本发明的一种用于实现光折变晶体多重全息存储器的热固定方法的系统，包括同一主光路上依次放置的激光器1，偏振分束棱镜2，在沿偏振分束棱镜2的反射光方向上依次安置电子快门3、针孔滤波扩束准直系统5及复用读写系统8所组成的参考光路，在沿偏振分束棱镜2的透射光方向上依次安置电子快门3、反射镜4、针孔滤波扩束准直系统5、组页器6、透镜7、透镜9和探测器10所组成的物光光路，其特征在于还包括在参考光与物光干涉处放置支持晶体11的复位装置12，采用了将通光光阑15、透镜16、反射镜4沿光行进方向顺序装配到由支架17连接两个可分别水平、垂直运动的线性平动台18支撑的底座14上形成的调整部分以及固定的透镜13组成的复用读写系统8。

本发明采用了由固定螺钉19将放置晶体11的复位平台20紧固在框架21内的复位装置12。

本发明的定影、显影过程可以是在线进行，或者是采用复位装置12离线完成。

本发明的一种光折变晶体多重全息存储器的热固定方法，即在分析光折变晶体存储机理的基础上，将需要存储的信息分批存储，首先依据存储的质量标准和晶体的存储特性确定每一批次能够存储多少幅全息光栅，在完成该批次的全息记录以后，对该批次的全息光栅进行热固定过程中的定影处理，形成跟记录的电子光栅互补的离子光栅。再进行下一批次全息光栅的记录和定影，直至所有的记录和定影结束。最后进行一次性显影，即利用非相干光照射晶体，擦除掉电子光栅，显影出所有的与电子光栅互补的离子光栅。离子光栅能够较长久的保存在晶体中。同时，由于运用了分批定影的方法，离子光栅屏蔽了电子光栅，从而减少了物光噪声。因此，光折变晶体多重全息存储器的热固定方法和系统最终能实现提高体全息存储质量和全息光栅在晶体中长久保存的目的。

附图说明

图1：光折变晶体全息存储器的热固定系统的光学系统原理图；

图2：复用读写系统的可调整部分示意图；

图3：复位装置原理图；

图中1：激光器，2：偏振分束镜，3：电子快门，4：反射镜，5：针孔滤波扩束准直系统，6：组页器，7：透镜，8：复用读写系统，9：透镜，10：探测器，11：晶体，12：复位装置，13：透镜，14：底座，15：通光光阑，16：透镜，17：线性平动台，18：支架，19：固定螺钉，20：复位平台，21：框架。

具体实施方式

在Fe：LiNbO₃中存入1000幅全息图。由体全息存储的理论，根据常规记录方法测得的晶体的写入和擦除时间曲线，实验测得写入时间常数τ_w＝95秒，擦除时间常数τ_E＝1900秒，饱和衍射效率η_sat＝0.3，根据现行实验条件测得目标衍射效率η＝8×10^-5。按照单批次存储1000幅全息图设置的曝光时序，以求获得均匀的衍射效率，从第一个全息图到第1000幅的曝光时间依次是：t₁＝6.97秒，t₂＝6.94秒，t₃＝6.92秒，……，t₁₀₀₀＝1.47秒；总曝光时间为2897秒。经过单次曝光2897秒后的存储晶体中的1000幅图像完全无法满足存储要求。实验测得晶体中存储的一幅图像在物光持续照射6分钟以后，分析图像信噪比，其质量满足存储要求，因此，确定存储批次数为5。而根据分批定影实验，拟合得到的写入和擦除时间曲线，批内光擦除时间常数τ_E＝1900秒，批间光擦除时间常数τ_F＝14000秒，由此计算出的第一批全息光栅(200幅)的曝光时间依次是：t₁＝1.964秒，t₂＝1.962秒，t₃＝1.960秒，……，t₂₀₀＝1.627秒，第一批全息光栅总曝光时间为357秒；采用同样方法依次计算出第二、第三、第四、第五批全息光栅的总曝光时间分别为347、338、329、321秒，五批次的总时间为1692秒，大大地降低了写入时间。记录完第一批200图像以后，将晶体从复位平台上取下，放入温控系统的加热炉加热，根据常规统计，由于晶体掺杂量不同，需加热到的温度为100℃-150℃，且持温15-30分钟，本发明采用Fe：LiNbO₃晶体需升温至120℃持温15分钟，之后冷却到室温，即完成第一批次的定影过程。以后批次的记录和定影就是重复和第一批记录和定影的过程。全部记录和定影结束后，用非相干光照射晶体10分钟，将以前若干批次记录的所有光栅全部显影出来。

比较单批次记录的1000幅光栅和五批次记录分批定影方法记录的1000幅光栅，后者的图像质量有了明显的提高；进一步比较单批次记录过程曝光1692秒时的某个全息光栅和分批定影过程中某一批次也同样曝光1692秒的某一个全息光栅，分析实验数据得到：后者的光栅读出时图像的信噪比有了极大的提高。

总之，由于分批定影热固定过程离子光栅对电子光栅的屏蔽作用，批间光擦除时间常数τ_F远大于批内光擦除时间常数τ_E，后续存储过程的擦除效果减弱。实验证明，分批定影热固定方法既提高了读出的衍射效率，又有效地改善图像的质量。

Claims (7)

1、一种光折变晶体多重全息存储器的热固定方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)分批及计算批次数：根据晶体的性能参数中的动态范围和晶体的写入时间常数，在符合实际存储时间小于晶体动态范围要求的写入时间的条件下，得到单批次内记录的总时间，用这一时间除以单个全息光栅的写入间，得到单批次存储的光栅数目，用需要存储的全息光栅的总目标数目除以单批次存储的光栅数目，得到整个存储过程批次数；

(2)按常规方法计算各个批次中每个全息图的曝光时间；

(3)记录：将晶体放置在光学系统中记录同一批全息光栅；

(4)定影：将记录了同一批全息光栅后的晶体放入由温控器控制的加热器中，加热到100℃-150℃，持温15-30分钟后，冷却到室温；

(5)重复步骤(3)、(4)的内容，完成各批全息光栅的记录及定影；

(6)显影：用均匀的非相干光一次性照射完成各个分批记录及定影的晶体，5-30分钟。

2、根据权利要求1所述的一种光折变晶体多重全息存储器的热固定方法，其特征在于，步骤(2)中所述的曝光时间的计算方法如下：

(1)通过实验测出衍射效率η，由衍射效率η和存储过程晶体的折射率调制度Δn之间的关系表达式：

η＝sin²[π*Δn*d/λ/(cosα_r*cosα_s)^0.5]

计算出折射率调制度Δn，式中，α_r和α_s为参考光和物光入射晶体时的入射角(在晶体内部)，d为晶体厚度，λ为记录光波的波长；

(2)根据光折变晶体的写入和擦除过程中折射率调制度随时间变化的指数特性：

          写入过程：Δn(t_w)＝Δn_sat(1-exp(-t_w/τ_w))

          擦除过程：Δn(t_e)＝Δn₀exp(-t_e/τ_e)

计算出写入过程的曝光时间t_w和擦除过程的曝光时间t_e，式中，τ_w和τ_e为写入和擦除时间常数，Δn_sat是饱和折射率调制度，Δn₀是擦除过程的折射率调制度的初始值；

(3)由于后续全息图记录对已经写入的全息图存在光擦除，即同一批内的后续全息图记录对已写入全息图的光擦除，称为批内光擦除并由批内光擦除时间常数τ_E表示；以及后续不同批次的全息图记录对已写入全息图的光擦除，称为批间光擦除并由批间光擦除时间常数τ_F表示；为了达到均匀衍射效率，记录的折射率调制度为

${\mathrm{\Δn}}_n^m={\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{sat}}(1-\exp (-\frac{t_n^m}{{\mathrm{\τ}}_w}))\exp (-\frac{\underset{i=n+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^m}{{\mathrm{\τ}}_E}-\frac{\underset{k=m+1}{\overset{M/N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^k}{{\mathrm{\τ}}_F})$

式中，t_n ^m为第m批的第n个全息图的曝光时间，t_i ^m为第m批的第i(i＝1，2，…N)个全息图的曝光时间，t_i ^k为第k批的第i个全息图(k＝1，2，…(M/N))，i＝1，2，…N)的曝光时间，N为每一批全息图的复用数，M是所有全息图的总复用数；

(4)同批全息图记录过程中，要求批内各全息图始终保持等衍射效率；由第m批的第n个全息图与第n+1个全息图等衍射效率得到递推关系式：

$(1-\exp (-\frac{t_n^m}{{\mathrm{\τ}}_w}))\exp (-\frac{t_{n+1}^m}{{\mathrm{\τ}}_E})=1-\exp (-\frac{t_{n+1}^m}{{\mathrm{\τ}}_w})$

在完成每一批所有全息图记录时，要求所有批次全息图达到等衍射效率；由第m批的第N个全息图与第m+1批的第N个全息图等衍射效率得到递推关系式：

$(1-\exp (-\frac{t_N^m}{{\mathrm{\τ}}_w}))\exp (-\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{m+1}}{{\mathrm{\τ}}_F})=1-\exp (-\frac{t_N^{m+1}}{{\mathrm{\τ}}_w})$

由上述两个递推公式计算出每个批次每个全息图的曝光时间。

3、根据权利要求1所述的一种光折变晶体多重全息存储器的热固定方法，其特征在于，步骤(4)中所述的定影过程是在线进行，或者是采用复位装置(12)离线完成。

4、根据权利要求1所述的一种光折变晶体多重全息存储器的热固定方法，其特征在于，步骤(6)中所述的显影过程是在线进行，或者是采用复位装置(12)离线完成。

5、一种用于实现权利要求1至4其中任何一个所述的光折变晶体多重全息存储器的热固定方法的系统，包括同一主光路上依次放置的激光器(1)，偏振分束棱镜(2)，在沿偏振分束棱镜(2)的反射光方向上依次安置电子快门(3)、针孔滤波扩束准直系统(5)及复用读写系统(8)所组成的参考光路，在沿偏振分束棱镜(2)的透射光方向上依次安置电子快门(3)、反射镜(4)、针孔滤波扩束准直系统(5)、组页器(6)、透镜(7)、透镜(9)和探测器(10)所组成的物光光路，其特征在于还包括在参考光与物光干涉处放置支持晶体(11)的复位装置(12)。

6、根据权利要求5所述的系统，其特征在于采用了将通光光阑(15)、透镜(16)、反射镜(4)沿光行进方向顺序装配到由支架(17)连接两个可分别水平、垂直运动的线性平动台(18)支撑的底座(14)上形成的调整部分以及固定的透镜(13)组成的复用读写系统(8)。

7、根据权利要求5所述的系统，其特征在于采用了由固定螺钉(19)将放置晶体(11)的复位平台(20)紧固在框架(21)内的复位装置(12)。

Images